Главные движительно-рулевые устройства. 5 страница

Большое значение для поворотливости судна имеют параметры его корпуса, характеризуемые отношениями L/B и коэффициентами общей полноты d, а также форма оконечностей судна (степень подреза оконечностей) и дифферент.

На одновинтовых судах циркуляции вправо и влево могут существенно отличаться из-за несимметричного влияния струи от винта.

Из рассмотренного выше очевидно, что устойчивость на курсе и поворотливость являются противоположными качествами- при улучшении устойчивости на курсе поворотливость ухудшается, и наоборот. В то же время оба этих качества являются полезными, поэтому при проектировании судов стремятся найти, в зависимости от типа и назначения судна, целесообразное сочетание этих качеств. На судах, которым по характеру их работы предстоит частое маневрирование в стеснённых условиях, для повышения поворотливости нередко устанавливают средства активного управления.

Движение судна под влиянием переложенного руля.При движении судна с переложенным рулём, центр тяжести описывает траекторию, называемую циркуляцией. При этом нос судна отклоняется внутрь циркуляции, т.е. между диаметральной плоскостью и касательной к траектории имеется угол подреза, называемый углом дрейфа на циркуляции.

Подводная часть судна ведёт себя как крыло, двигающееся в воде возникает подъёмная сила. Поперечная составляющая гидродинамической силы Rгу и является подъёмной силой корпуса, рассматриваемого как крыло. Значение этой силы, распределённой по длине корпуса судна, пропорционально углу атаки, т.е. углу дрейфа. При движении с постоянным по длине корпуса углом дрейфа (это бывает при движении близком к прямолинейному) точка приложения равнодействующей подъёмной силы смещена к передней кромке крыла, т.е. к носовой части судна.

Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Эти характеристики не остаются постоянными, поэтому процесс циркуляции принято делить на три периода.

Первый период- маневренный -продолжается от момента подачи команды на перекладку руля до времени перекладки руля на заданный угол. Второй период- эволюционный- начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается, когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения. Третий период- установившийся- начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остаётся в переложенном положении. За начало циркуляции принимается момент подачи команды на перекладку руля.

Переложенный на угол d руль, как и всякое крыло, развивает подъёмную силу – боковую силу руля Rру, под влиянием которой корпус испытывает поперечную силу Rгу, приложенную в центре тяжести G и момент Mг относительно вертикальной оси Z. Это показано на рис.1.64.

В первый период после начала циркуляции под влиянием поперечной силы Rру возникает угол дрейфа и ц.т. судна приобретает движение во внешнюю сторону циркуляции, т.е. происходит обратное смещение, при этом на корпусе также появляется подъёмная сила – поперечная гидродинамическая сила Rгу направленная внутрь циркуляции, точка приложения которой смещена в нос от цт. Момент этой силы Mг в этом периоде имеет тот же знак, что и момент руля Mр поэтому угловая скорость начинает быстро возрастать.

Rру
Rру
V
-Rру
Rгу

Рис.1.64. Движение судна с переложенным рулем

В дальнейшем под влиянием поперечной силы Rгу траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т.е. радиус начинает уменьшаться.

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом R каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра циркуляции О свою траекторию. Радиус кривизны ее отличается от R. При этом каждая такая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. В нос от ЦТ углы дрейфа соответственно уменьшаются, как показано на рис.1.65. Если же из центра циркуляции О опустить перпендикуляр на диаметральную плоскость (ДП), то в полученной точке ПП угол дрейфа равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота.

Полюс поворота при циркуляции для большинства судов располагается вблизи носовой оконечности - на расстоянии примерно 0.4 длины судна от центра тяжести принимаемого на мидель-шпангоуте.

 

       
   
 
 

 

 

 

 
 

 

 


aпG
 
 

aпa
 
 

       
 
О
 

 

 


Рис.1.65. Изменение угла дрейфа по длине судна

 

 

Угол дрейфа цт судна на циркуляции определяется по формуле:

(1.41)

где ln.n.-расстояние полюса поворота от центра тяжести.

Для произвольной точки а угол дрейфа будет:

(1.42)

где lа- расстояние от точки а до центра тяжести(в корму знак «-»).

На судах, имеющих крутую циркуляцию, угол дрейфа может достигать 200 и более.

Как уже отмечалось, подъёмная сила пропорциональна углу атаки, а так как углы дрейфа возрастают по длине корпуса в сторону кормы, то точка приложения поперечной гидродинамической силы Rгу по мере искривления траектории смещается в сторону кормы, а момент этой силы Мг постепенно уменьшаясь меняет знак и начинает действовать противоположно моменту руля Мр, т.е. становится демпфирующим. Рост угловой скорости при этом замедляется, а когда моменты Мр и Мг становятся равными по абсолютной величине, угловая скорость стремится к установившемуся значению уст.

Благодаря сопротивлению переложенного руля (сила Rpx) и некоторому увеличению сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа, а также проекции Рх центробежной силы, линейная скорость судна V постепенно уменьшается, стремясь к некоторому значению Vуст..

Чем лучше поворотливость, т.е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем, на крупнотоннажных морских судах при повороте на 900 скорость снижается, приблизительно на1/3, а при повороте на 1800 –вдвое.

1.7. Основные сведения о судовых рулях и движителях

Угол поворота рулей относительно диаметральной плоскости называется углом перекладки руля. Под термином “перекладка руля” понимают процесс поворота пера руля из одного положения в другое. Максимальный угол перекладки руля на морских судах обычно ограничивают 350, поскольку дальнейшая перекладка руля, не приводит к увеличению его поперечной силы. Дальнейшее увеличение угла перекладки кроме малой эффективности ведет к резкому увеличению нагрузки на оси баллера, что требует утяжеления привода рулей и повышения мощности рулевой машины.

Площадь пера руля, которая требуется для обеспечения необходимой управляемости, зависит от назначения и геометрических размеров судна, формы обводов кормы, скорости хода и расположения руля относительно винта. Для сравнения эффективности рулей различных судов принято рассматривать относительную площадь руля Ар и фактор руля и корпуса Ф. Значение Ар определяют по формуле:

Ар = L · Tcp / Sp , ( 1.43 )

где L - длина судна между перпендикулярами;

Тср - средняя осадка;

Sp - площадь пера руля ( суммарная площадь рулей).

Значение коэффициента Ар лежит в пределах от 10 ( речные колесные суда) до 85

( трансатлантические быстроходные пассажирские суда).

Форма кормовой оконечности характеризуется коэффициентом полноты площади погруженной части ДП - sк, который определяют по формуле:

, ( 1.44 )

где fk - площадь подреза кормы, ограничиваемая кормовым перпендикуляром, базовой линией и контуром кормы. Кроме площади пера руля на управляемость существенно влияет и его форма, которая характеризуется его относительным удлинением lр , которое определяют по формуле:

, ( 1.45)

где hp - высота руля по баллеру.

Увеличение площади пера руля увеличивает его поперечную силу Rpy, но вместе с тем увеличивается и демпфирующее действие руля. Поэтому увеличение его площади приводит к улучшению поворотливости только при больших углах перекладки руля.

У судов с большим значением коэффициента полноты sк поворотливость будет хуже, а устойчивость на курсе лучше, чем у судов с меньшим значением sк .

Увеличение относительного удлинения руля lр при неизменной площади Sp приводит к возрастанию поперечной силы руля Rpy , что приводит к некоторому улучшению поворотливости.

Фактор руля и корпуса определяют по формуле:

, ( 1.46 )

где - относительная площадь пера руля в процентах, определяется

= Sp /L/ Tcp . Полученное значение Ф используется для расчетного определения эле-ментов циркуляции и потери скорости при повороте.

Cилы, действующие на переложенный руль, с учетом взаимодействия между рулевым устройством и корпусом судна, в связанных с судном осях ( Х - положительное направление в нос, У - положительное направление в правый борт ) можно определить ( рис. 5 ) :

( 1.47 )

(1.48 )

где Срх - безразмерный коэффициент сопротивления руля ;

Vp - скорость потока воды набегающего на руль;

Spe - эффективная площадь руля;

r - плотность воды;

Spy - безразмерный коэффициент боковой силы руля.

 

Vp

ap

 

 

 


Rpy

 

Rp

Rpx

 

d

 

Рис.1.66 Схема сил, действующих на руль

 

Значение боковой силы руля, с учетом изменения направления потока, можно определить по формуле:

, ( 1.49 )

где Сруa - коэффициент производной боковой силы руля по углу атаки;

aр - угол атаки руля.

Величину угла атаки можно определить из выражения:

aр = (1.50 )

где - эффективный коэффициент влияния корпуса и винта на руль;

- относительное плечо силы на руле, равное = lp / L;

- угол дрейфа на циркуляции;

- угловая скорость вращения судна.

Значение Сруa можно определить по формуле:

Сруa = kтр · Сру , ( 1.51 )

где kтр - коэффициент типа руля, равный для обычных рулей -1.0, для рулей за рудерпостом - 1.3, для поворотных насадок - 0.9.

Значение Сру для обычных рулей можно определить по формуле:

( 1.52 )

где Ср - поправочный коэффициент, равный единице для прямоугольных и трапециевидных рулей; для полубалансирных рулей его значение можно определить из табл. 1.4, составленной по графику, приведенному в справочнике по теории корабля. Для промежуточных значений величину Ср можно получить путем линейной интерполяции.

Таблица 1.4

Значение поправочного коэффициента Ср

lр 0.5 1.0 1.5 2.0
Ср 1.0 0.86 0.73 0.6

 

Значение коэффициента определяют по формуле:

= · D ( 1.53 )

где -коэффициент влияния корпуса; D- коэффициент влияния винта.

Значения коэффициентов и D можно найти по рекомендациям ,помещенным в справочнике по теории корабля .

Сила упора винта на переднем установившемся ходу равна сопротивлению движению корпуса судна ( строго говоря надводной и подводной частей, однако учитывая малую долю сопротивления воздуха при тихой погоде по сравнению с сопротивлением воды ею пренебрегают), которое можно рассчитать по формуле:

Pe = кV2 , ( 1.54 )

где к - коэффициент сопротивления корпуса, значение которого можно определить по формуле Демина С.И. :

к = 5880 + 0.654 W Ö В / Тср , ( 1.55 )

где W - площадь смоченной поверхности, которую с достаточной для практики точностью можно рассчитать:

W = D2/3 ( 4.854 + 0.492 B / T ) , ( 1.56 )

где D - водоизмещение судна в тоннах.

Сила упора винта Pmax , которую он развивает к моменту остановки судна, является силой упора винта при нулевой поступи. Для изолированного винта ( без учета влияния корпуса судна на его работу) сила упора “ на швартовах” рассчитывается по формуле:

Ршв = кр r n2 Dв4 , ( 1.57 )

где кр - коэффициент упора винта на заднем ходу в режиме “на швартовах”;

r - массовая плотность воды;

n - число оборотов винта в секунду;

Dв - диаметр винта.

Значение коэффициента упора выбирают из специальных диаграмм для расчета винтов, помещенных в справочнике по теории корабля. С достаточной для практических потребностей судовождения точностью его можно рассчитать по известной эмпирической формуле:

кр = 3Ö Q ·Z ( 0.225 sin2 Hв + 0.098 sin Hв ), ( 1.58 )

где Q - дисковое отношение винта;

Z - число лопастей винта;

Нв - шаговое отношение винта, равное отношению шага винта к его диаметру Нв = Н / Dв .

Если гребной винт имеет направляющую насадку, то полученное значение кр следует умножить на коэффициент 0.85.

Влияние корпуса на работу винта учитывается коэффициентом усиления упора Суу , величина которого зависит от соотношения площадей диска винта Ad и погруженной части мидель-шпангоута SÄ . Его значение может быть определено по эмпирической формуле С.И.Демина:

Суу = 0.508 + 0.106 SÄ / Ad , ( 1.59 )

где значение SÄ = B Tср bÄ ; bÄ - коэффициент полноты мидель-шпангоута;

Значение Аd рассчитывается по формуле: Аd = p· Dв2 / 4.

C учетом изложенного максимальную силу упора винта рассчитывают по формуле:

Pmax = Pшв · Суу ( 1.60)

Точность определения значения Pmax по приведенной методике характеризуется стандартной относительной погрешностью равной 12.3%.

 

 








Дата добавления: 2015-11-18; просмотров: 1371;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.038 сек.